[0001] 本发明涉及岩石渗透实验技术领域， 尤其是一种变水头渗透系数测量的试验装 置和利用该装置测量渗透系数的方法。

背景技术

[0002] 相似材料模拟实验是重要的岩土工程研究技术 手段， 在实验室内按相似原理制 作与工程实际相似的模型， 借助测试仪表观测模型的力学参数及应力分布 规律 ， 利用在模型上研究的结果推断原型中可能发生 的力学现象， 以及岩体应力分 布的规律， 从而解决岩土工程生产中的实际问题。 同样， 在矿山地质研究过程 中， 采用相似材料模拟实验对岩土渗透系数进行研 究也是重要的研究手段， 渗 透系数即水力传导系数， 是表征岩土渗水性能的指标， 其数值的准确计算对岩 石渗流值的确定意义重大， 5见有的相似模拟材料渗透系数的测量工具不� �控制 试验的温度和压力， 以至于试验测量结果不够准确， 并且实验过程是通过人工 操作， 其自动化程度低， 受操作误差影响大， 并且实验周期长， 试验效率低， 进一步影响实验的准确性。 因此现有的渗透系数测量实验装置及测量方法 需要 进一步的改进。

发明概述

技术问题

问题的解决方案

技术解决方案

[0003] 为解决渗透实验耗时长， 实验受温度和压力变化影响导致渗透系数测量 精确度 不高的技术问题， 本发明提供了一种变水头渗透系数测量系统和 测量方法， 具 体技术方案如下。

[0004] 一种变水头渗透系数测量系统， 包括储液系统、 试验系统、 控制系统和数据处 理系统； 所述储液系统包括储水桶、 密封盖和转接盒； 所述密封盖设置在储水 桶的上端， 密封盖上设置有注水口和进气口； 所述转接盒设置在储水桶的底部 ； 所述控制系统包括自动控制阀、 加热棒、 压力计、 进气管、 高压气罐和减压 阀； 所述自动控制阀与转接盒相连； 所述加热棒设置在储水桶的内部； 所述高 压气罐通过进气管和密封盖上的进气口相通； 所述试验系统包括试验台、 导水 管和试验筒； 所述导水管连接试验筒和自动控制阀； 所述储水桶和试验筒放置 在试验台上； 所述数据处理系统包括信号采集仪和计算机； 所述信号采集仪通 过数据线与压力计、 加热棒和自动控制阀相连， 信号采集仪通过数据线与计算 机相连。

[0005] 优选的是， 储水桶的侧壁上设置有刻度标尺， 储水桶与密封盖和转接盒通过螺 纹连接； 所述注水口通过橡皮塞密封， 进气口通过紧固箍扎进密封。

[0006] 优选的是， 高压气罐出口处设置有减压阀， 减压阀与进气管相连； 所述进气口 伸入储水桶的长度大于注水口伸入储水桶的长 度。

[0007] 优选的是， 导水管为牛筋管， 导水管端部通过牛筋接头连接； 所述导水管上设 置有压力计。

[0008] 优选的是， 试验筒包括试验腔、 密封帽、 密封托盘和连接管， 试验试件放置在 试验腔内； 所述密封帽设置在试验腔上方， 与试验腔通过螺纹连接； 所述密封 托盘与试验腔底部通过螺纹连接； 所述试验筒的侧壁开设有溢流孔， 溢流孔设 置在密封帽与试验腔的交线的位置； 所述连接管设置在密封托盘的底部。

[0009] 进一步优选的是， 试验腔底部设置有支撑架， 支撑架上放置有相似材料模拟试 验试件； 相似材料模拟试验试件的长度等于试验腔内腔 的长度， 相似材料模拟 试验试件的直径等于试验腔的内径； 所述导水管通过连接管和试验筒相连。

[0010] 变水头渗透系数的测量方法， 包括以下步骤：

[0011] ( 1) 将相似材料模拟试验试件表面均匀涂抹凡士林 ， 在所述试验腔内表面均 匀涂抹凡士林， 将相似材料模拟试验试件放置在试验腔内；

[0012] (2) 组合安装连接变水头渗透系数测量系统的储液 系统、 试验系统、 控制系 统和数据处理系统；

[0013] (3) 通过注水口向储水桶内注水， 通过计算机控制加热棒工作， 控制储水桶 内的水温；

[0014] (4) 使用橡皮塞密封注水口， 打开高压气罐开关， 打开自动控制阀， 储水桶 内的水通过导水管和连接管进入试验腔， 根据压力计读数反馈信号调节减压阀 ， 保持压力计读数不变；

[0015] (5) 记录溢流孔出水时储水桶的水位高度 hi， 经过时间 t后， 再次记录储水桶 的水位高度 h2;

[0016] (6) 测量导水管的截面面积 a， 相似材料模拟试验试件的长度 L， 相似材料模 拟试验试件的截面面积 A， 试验台上表面和溢流孔的高度差 h; 计算渗透系数 K, 其中

[0017] (7) 重复上述步骤 3次， 取渗透系数计算的平均值作为渗透系数的测量 值。

[0018] 优选的是， 水温调控至 20°C， 所述压力计读数保持在 0.2MPa。

发明的有益效果

有益效果

[0019] 本发明的有益效果包括：

[0020] ( 1) 通过储液系统、 试验系统、 控制系统和数据处理系统的配合实现了对渗 透系数测量实验过程的自动控制， 并通过对储水桶进行密封， 使用高压气罐对 水进行加压， 从而控制水压， 通过加热棒控制水的温度。

[0021] (2) 储水桶上设置刻度标尺， 方便实验数据记录； 进气口伸入储水桶的长度 大于注水口伸入储水桶的长度， 方便注水， 和密封注水口； 导水管上设置有压 力计便于控制和记录水压。

[0022] (3) 试验筒的试验腔的内腔和相似材料模拟试验试 件尺寸一致， 并开设有溢 流孔， 溢流孔设置在试验腔上， 从而方便记录渗流时间和水位高度。

[0023] (4) 利用变水头渗透系数测量系统进行测量时， 通过涂抹凡士林以试验筒保 证侧壁的密封性， 通过加热棒对水温进行控制， 自动控制阀实现了导水管出水 的自动控制， 通过压力计的反馈数据调节减压阀从而保证压 力的稳定， 记录三 次实验数据取平均值保证了测量结果的准确性 。

[0024] 另外本发明的测量系统和测量方法还具有结构 简单， 操作方便， 试验周期短， 自动化程度高， 提高了测量效率和测量准确性等优点。

对附图的简要说明

附图说明

[0025] 图 1是一种变水头渗透系数测量系统的结构示意� �；

[0026] 图 2为密封盖的俯视图；

[0027] 图 3为储水桶结构示意图；

[0028] 图 4为转接盒的内部结构示意图；

[0029] 图 5为橡皮塞的结构示意图；

[0030] 图 6为试验筒的结构示意图；

[0031] 图 7为试验腔外部结构示意图；

[0032] 图 8为试验腔内部结构示意图；

[0033] 图 9为密封托盘剖面结构示意图；

[0034] 图中： 1 -储液系统； 11 -储水桶； 12 -密封盖； 121-注水口； 122 -进气口； 13 -转 接盒； 24式验系统； 214式验台； 22 -导水管； 234式验筒； 231 -试验腔； 232 -密封 II； 233 -密封托盘； 234 -连接管； 235 -溢流孔； 236 -支撑架； 3 -控制系统； 31 -自 动控制阀； 32 -加热棒； 33 -压力计； 34 -进气管； 35 -高压气罐； 36 -减压阀； 4 -数 据处理系统； 41-信号采集仪； 42 -计算机。

发明实施例

本发明的实施方式

[0035] 结合图 1至图 9所述， 本发明提供的一种变水头渗透系数测量系统和 测量方法的 具体实施方式如下。

[0036] 一种变水头渗透系数测量系统具体包括储液系 统、 试验系统、 控制系统和数据 处理系统。 通过储液系统 1、 试验系统 2、 控制系统 3和数据处理系统 4的配合实 现了对渗透系数测量实验过程的自动控制， 从而提高试验效率和测量的准确性

[0037] 其中， 储液系统 1包括储水桶 11、 密封盖 12和转接盒 13， 密封盖 12设置在储水 桶 11的上端， 密封盖 12上设置有注水口 121和进气口 122, 转接盒 13设置在储水 桶 11的底部。 储水桶 11与密封盖 12和转接盒 13通过螺纹连接， 储水桶 11的侧壁 上设置有刻度标尺， 方便实验数据记录， 其中储水桶 11是由玻璃材料制成。 注 水口 121通过橡皮塞密封， 进气口 122通过紧固箍扎进密封， 实现对储水桶 11的 密封， 从而保证压力稳定。 进气口 122伸入储水桶的长度大于注水口伸入储水桶 的长度， 从而方便注水和密封注水口 121。

[0038] 控制系统 3包括自动控制阀 31、 加热棒 32、 压力计 33、 进气管 34、 高压气罐 35 和减压阀 36。 自动控制阀 31与转接盒相连， 转接盒 13和自动控制阀 31通过螺纹 连接， 自动控制阀 31控制渗流实验用水的注入， 压力计 33设置在靠近转接盒的 导水管 22上， 用于反馈和记录水压。 加热棒 32设置在储水桶 11的内部， 可以设 置在储水桶 11的侧壁或者底部， 并且加热棒 32还设置有温度检测模块， 将水温 及加热棒 32的工作状态反馈至信号采集仪 41。 高压气罐 35通过进气管 34和密封 盖 12上的进气口 122相通， 在高压气罐 35出口处设置有减压阀 36 , 减压阀 36与进 气管 34相连， 减压阀 36根据压力计 33的反馈情况进行调节， 从而对储水桶 11的 出水水压进行调节。

[0039] 试验系统 2包括试验台 21、 导水管 22和试验筒 23， 导水管 22连接试验筒 23和自 动控制阀 31， 在导水管 22上设置有压力计 33 , 储水桶 11和试验筒 23放置在试验 台 ₂₁ 上。 导水管 ₂₂ 为牛筋管， 导水管 22端部通过牛筋接头连接。 试验筒 23包括 试验腔 231、 密封帽 232、 密封托盘 233和连接管 234， 试验试件放置在试验腔 231 内。 密封帽 232设置在试验腔 231上方， 与试验腔 231通过螺纹连接， 密封托盘 23 3与试验腔 231底部通过螺纹连接。 试验筒 23的侧壁开设有溢流孔 235 , 溢流孔 23 5设置在密封帽 232与试验腔 231的交线的位置， 其中密封帽 232是由金属材料制 作而成。 连接管 234设置在密封托盘 233的底部。 试验腔 231底部设置有支撑架 23 6 , 支撑架 236上放置有相似材料模拟试验试件， 相似材料模拟试验试件的长度 等于试验腔内腔的长度， 相似材料模拟试验试件的直径等于试验腔的内 径。 导 水管 22通过连接管 234和试验筒 23相连， 导水管 22向试验腔 231内充水。

[0040] 数据处理系统 4包括信号采集仪 41和计算机 42, 信号采集仪 41通过数据线与压 力计 33、 加热棒 32和自动控制阀 31相连， 信号采集仪 41通过数据线与计算机相 连。 压力计 33、 加热棒 32分别将压力和温度反馈至信号采集仪 41， 通过计算机 实现对加热棒 32和自动控制阀 31的控制。 [0041] 利用上述变水头渗透系数测量系统进行变水头 渗透系数测量的方法， 包括以下 步骤：

[0042] 步骤 （1） ， 将相似材料模拟试验试件表面均匀涂抹凡士林 ， 在试验腔 231内表 面均匀涂抹凡士林， 将相似材料模拟试验试件放置在试验腔内， 从而保证试验 装置的密封性。

[0043] 步骤 （2） ， 组合安装连接变水头渗透系数测量系统的储液 系统 1、 试验系统 2 、 控制系统 3和数据处理系统 4。

[0044] 步骤 （3） ， 通过注水口 121向储水桶 11内注水， 通过计算机 42控制加热棒 32工 作， 控制储水桶 11内的水温， 设定不同的水温， 从而进行不同温度条件下的测 量实验。 优选的水温调控至 20°C， 进行实验。

[0045] 步骤 （4） ， 使用橡皮塞密封注水口 121， 打开高压气罐 35开关， 打开自动控制 阀 31， 储水桶 11内的水通过导水管 22和连接管 234进入试验腔 231， 根据压力计 3 3读数反馈信号调节减压阀 36 , 保持压力计 33读数不变。 通过设定不同的压力， 完成不同压力条件下的测量实验。 优选的压力计读数保持在 0.2MPa进行实验。

[0046] 步骤 （5） ， 记录溢流孔 235出水时储水桶 11的水位高度 hi， 经过时间 t后， 再 次记录储水桶 11的水位高度 h2。

[0047] 步骤 （6） ， 测量导水管 22的截面面积 a， 相似材料模拟试验试件的长度 L， 相 似材料模拟试验试件的截面面积 A， 试验台 21上表面和溢流孔 235的高度差 h。 根 据上述已知参数， 建立瞬时达西定律方程， 计算渗透系数 K,其中渗透系数的计 算公式为：

[0048] 步骤 （7） ， 重复上述步骤 3次， 取渗透系数计算的平均值作为渗透系数的测量 值。

[0049] 通过加热棒 32对水温进行控制， 自动控制阀 31实现了导水管出水的自动控制， 通过压力计 33的反馈数据调节减压阀从而保证压力的稳定� �� 记录三次实验数据 取平均值保证了测量结果的准确性。 本发明公开的变水头渗透系数测量系统和 测量方法还具有结构简单， 操作方便， 试验周期短， 自动化程度高， 提高了测 量效率和测量准确性等优点。

[0050] 尽管本文使用了“储水桶、 密封盖、 转接盒、 导水管、 试验筒、 自动控制阀、 加热棒、 进气管、 高压气罐、 减压阀”等术语， 但并不排除使用其他术语的可能 性； 使用这些术语仅仅是为了更方便的解释和描述 本发明， 并不能据此限制本 发明保护范围。

[0051] 当然， 上述说明并非是对本发明的限制， 本发明也并不仅限于上述举例， 本技 术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做 出的变化、 改型、 添加或替换， 也应属于本发明的保护范围。